Aide-mémoire de - medias.dunod.commedias.dunod.com/document/9782100585380/Feuilletage.pdf · Yves...

30
Aide -mé moi r e de MÉCANIQUE DES SOLS

Transcript of Aide-mémoire de - medias.dunod.commedias.dunod.com/document/9782100585380/Feuilletage.pdf · Yves...

Aide-mémoire deMÉCANIQUE

DES SOLS

9782100585380-prelim.indd 19782100585380-prelim.indd 1 16/05/13 09:2116/05/13 09:21

9782100585380-prelim.indd 29782100585380-prelim.indd 2 16/05/13 09:2116/05/13 09:21

Yves BerthaudPatrick de BuhanNicolas Schmitt

2e édition

Aide-mémoire deMÉCANIQUE

DES SOLS

9782100585380-prelim.indd 39782100585380-prelim.indd 3 16/05/13 09:2116/05/13 09:21

© Dunod, Paris, 2013978-2-10-058538-0

Illustration de couverture : © bajita111122 – Fotolia.com

9782100585380-prelim.indd 49782100585380-prelim.indd 4 16/05/13 09:2116/05/13 09:21

V

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

Avant-propos 1

A

Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

1 • Méthodologie pour le dimensionnementd’un ouvrage 9

1.1 Approche de la sécurité des constructions 91.2 Classement d’un ouvrage géotechnique 121.3 Données géotechniques 141.4 Documents contractuels 161.5 Méthodologie d’une étude de sols 17

2 • Techniques de reconnaissance des terrains 19

2.1 Essais géophysiques 192.2 Essais mécaniques in situ 242.3 Essais hydrauliques in situ 472.4 Essais de mesures in situ et de surveillance 54

B

Caractéristiques des sols et des roches

3 • Minéraux de base des sols 59

3.1 Définition 593.2 Caractéristiques des minéraux 60

Table des matières

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page V

4 • Les argiles 65

4.1 Structure cristalline des feuillets 654.2 Types d’argiles 674.3 L’eau adsorbée 71

5 • Description et classification des sols 73

5.1 Paramètres globaux du sol 745.2 Caractéristiques des grains du sol sec 785.3 Comportement des sols fins en présence d’eau 825.4 Classification LCPC des sols 875.5 Exemples 90

C

Éléments de mécanique des sols, vus comme des milieux continus

6 • Déformation d’un sol en tant que milieu continu 97

6.1 Généralités 976.2 Le cas de la transformation infinitésimale 986.3 Interprétation des composantes de la déformation 996.4 Variations de volume, porosité et indice des vides 1006.5 Description par les vitesses 1036.6 Exemples 104

7 • Contraintes dans un sol 107

7.1 Tenseur des contraintes de Cauchy 1077.2 Représentation de Mohr des contraintes 1107.3 Quelques états de contrainte remarquables 1117.4 Équilibre ; champs de contrainte statiquement admissibles 1147.5 Principe des Puissances Virtuelles (PPV) 117

8 • Comportement élastique des sols 121

8.1 Comportement élastique isotrope en transformation infinitésimale 121

VI

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page VI

8.2 Problème d’élasticité HPP 1218.3 Exemples 124

9 • Comportement élasto-plastique 129

9.1 Critère de plasticité et fonction de charge 1299.2 Règle d’écoulement plastique et formulation

en vitesse de la loi de comportement 1329.3 Résolution des problèmes de plasticité 135

D

Comportement hydro-mécanique des sols

10 • Comportement hydraulique du sol 141

10.1 Équations de conservation de la masse 14210.2 Écriture lagrangienne de la conservation

de la masse fluide 14510.3 Perméabilité, loi de Darcy 14710.4 Applications 15310.5 Écoulement dans un massif 15510.6 Écoulement dans un sol 15610.7 Force liée à l’écoulement 15910.8 Drainage, filtres 161

11 • Comportement mécanique des sols finssaturés 163

11.1 Préambule 16311.2 Présentation de la poro-élasticité 16411.3 Poro-élasticité 16711.4 Compressibilité des sols fins saturés 17111.5 Consolidation bidimensionnelle 183

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

VII

Table des matières

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page VII

E

Caractérisation expérimentale en laboratoiredu comportement hydro-mécanique des sols

12 • Représentativité des essais mécaniquesen laboratoire 187

13 • Caractérisation sous chargement uniaxialsans contrôle de la pression interstitielle 193

13.1 Essai de compression simple 19313.2 Caractérisation du comportement en traction 19713.3 Essai œdométrique 199

14 • Caractérisation sous chargement multiaxialsans contrôle de la pression interstitielle 205

14.1 Essai de cisaillement direct 20514.2 Caractérisation du comportement triaxial 209

15 • Caractérisation sous chargement multiaxialdes sols humides ou saturés 217

15.1 Introduction 21715.2 Des conditions in situ aux essais en laboratoire

dans les sols humides 21815.3 Cisaillement des sols fins non consolidés

– non drainés (UU) 21915.4 Cisaillement des sols fins consolidés

– drainés (CD) 22215.5 Cisaillement des sols fins consolidés

– non drainés (CU) 224

VIII

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page VIII

F

Un exemple de modèle de comportement :Cam Clay

16 • Modèle de Cam Clay 229

16.1 Définition, hypothèses 22916.2 Lois d’évolution 23616.3 Réponse du modèle de Cam Clay 237

G

Théorie du calcul à la rupture appliquée à la mécanique des sols

17 • Principe du raisonnement du calcul à la rupture : un exemple illustratif 249

18 • De l’analyse limite au calcul à la rupture 253

19 • Théorie du calcul à la rupture : approchestatique par l’intérieur 257

19.1 Analyse de stabilité d’un talus vertical en sol purement cohérent 257

19.2 Position du problème de calcul à la rupture ; notion de facteur de stabilité de l’ouvrage 260

19.3 Approche statique par l’intérieur 261

20 • Approche cinématique par l’extérieur du calcul à la rupture 265

20.1 Approche cinématique : notion de puissance résistante maximale 266

20.2 Première mise en œuvre : mécanisme de « bloc en translation » 267©

Dun

od. T

oute

rep

rodu

ctio

n no

n au

tori

sée

est u

n dé

lit.

IX

Table des matières

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page IX

20.3 Amélioration de l’approche cinématique : les mécanismes de « bloc en rotation » 270

21 • Le cas des sols frottants 273

21.1 Facteur de stabilité et approche statique par l’intérieur 27421.2 Obtention d’un majorant

par l’approche cinématique par l’extérieur 27621.3 Approche cinématique à l’aide de mécanismes

par « blocs en rotation » 280

H

Stabilité des pentes et talus

22 • Les approches classiques 285

22.1 Cas du sol purement cohérent 28622.2 Cas d sol frottant : la « méthode des tranches » 288

23 • Analyse par le calcul à la rupture de la stabilité des pentes : l’approche statiquepar l’extérieur 291

24 • Mise en œuvre pratique 297

24.1 Cas d’un sol multi-couches 29724.2 Prise en compte de surcharges

et d’un écoulement hydraulique 29824.3 Introduction de renforcements 299

25 • En conclusion 303

X

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page X

I

Capacité portante des fondations superficielles

26 • Introduction 307

27 • Un exemple : l’analyse de la capacité portante d’un massif en sol purementcohérent 309

27.1 Approches statiques par l’intérieur 31027.2 Approches cinématiques par l’extérieur 31227.3 Prise en compte de la pesanteur 31727.4 Généralisation 319

J

Calculs de poussée et de butée

28 • Introduction 323

29 • Coefficients de poussée et de butée d’un solsur une paroi : l’exemple d’un massif de solpulvérulent 325

29.1 Paramètres de chargement du système 32629.2 Approche statique par l’intérieur 32729.3 Approche cinématique par l’extérieur 32929.4 Commentaires 331

Bibliographie 333

Index 337

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

XI

Table des matières

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page XI

9782100585380-bert-tdm.qxd 15/05/13 8:03 Page XII

1

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

La géotechnique est une discipline qui regroupe des méthodes et desoutils de caractérisation et de dimensionnement issus des sciences appli-quées et des techniques en relation avec les sols et les terrains sur lesquelsl’ingénieur s’appuie pour construire les ouvrages du Bâtiment et desTravaux Publics. Ce vaste domaine fait appel aux disciplines suivantes :

� La géologie. Elle est nécessaire pour évaluer la nature du terrain surlequel les ouvrages sont construits. Elle revêt une importance parti-culière dans les ouvrages d’art, les tunnels, les bâtiments de grandehauteur car les charges transmises se diffusent dans le sol sur unezone étendue, tant en largeur qu’en profondeur.

� La mécanique des solides et des fluides. Cette discipline est indis-pensable pour évaluer les actions que les ouvrages transmettent ausol, les contraintes mécaniques dans le sol générées par ces actions.Elle permet de s’assurer que le sol reprenne ces actions dans debonnes conditions.

� La topographie. Elle permet de construire une représentation de latopologie du terrain sur lequel l’ouvrage sera construit.

� La chimie. Cette discipline est mineure dans le cas de la constructiondes ouvrages courants (petits bâtiments). Elle est très présente dans lecas des ouvrages plus importants car nécessaire pour évaluer l’évolu-tion du terrain en présence d’un environnement qui parfois peut êtreagressif pour le sol (par exemple la dissolution de roche par suite dela modification de l’écoulement de l’eau dans le terrain suite à laconstruction d’ouvrages).

� Les techniques des travaux et de construction. Cette discipline regrou-pe l’ensemble des outils d’ingéniérie qui permettent de choisir les solu-tions technologiques mises en œuvre pour assurer la stabilité et la péré-nité des ouvrages, sur la base de critères technologiques et financiers.

Avant-propos

9782100585380-bert-int.qxd 06/05/13 9:49 Page 1

La conception de l’ancrage d’un ouvrage dans un environnement géolo-gique pose souvent plus de problèmes que la conception de l’ouvragemême. Souvent, on ne dispose que d’une connaissance partielle ouimparfaite du terrain et des actions que l’ouvrage exerce sur le sol, ou del’évolution de la configuration future du terrain (e.g., la constructiond’autres ouvrages à proximité).

Par ailleurs, il n’est souvent pas possible ou nécessaire d’utiliser toute lapanoplie des outils que les sciences appliquées mettent aujourd’hui ànotre disposition pour dimensionner les ouvrages, pour les raisons évo-quées précédemment ou simplement parce que l’importance del’ouvrage ne le justifie pas. Le concepteur doit néanmoins trouver desréponses à certaines interrogations soit en phase de dimensionnementde l’ouvrage, soit lors de sa vérification.

En phase de dimensionnement, les questions les plus courantes aux-quelles les bureaux d’études doivent répondre sont les suivantes :

� Comment reporter les charges d’une structure sur le terrain (ou réci-proquement) par l’intermédiaire d’une interface qui garantisse la sta-bilité mécanique de l’ouvrage dans le temps (fondation, tunnel) ?

� Quelles sont les actions exercées par le sol sur l’ouvrage (tranchées,murs de soutènement) ?

� Comment réaliser des terrassements offrant toutes les garanties destabilité dans le temps et par voie de conséquence de stabilité desouvrages ?

En phase de vérification, les questions que les bureaux de contrôle seposent sont un peu différentes dans la mesure où l’ouvrage est déjà défini :

� La transmission des charges entre l’ouvrage et et terrain est-elle assu-rée en garantissant la stabilité mécanique de l’ouvrage et sa tenuedans le temps ?

� Quels sont les outils les plus appropriés pour effectuer ces vérifica-tions ?

2

Introduction

9782100585380-bert-int.qxd 06/05/13 9:49 Page 2

Répondre à ces interrogations suppose que le géotechnicien possède demultiples connaissances qu’il doit mobiliser à différentes étapes del’étude géotechnique :

� de nature naturaliste : il doit savoir reconnaître le sol et les terrains ;

� d’expérimenteur : il doit connaître et mettre en oeuvre les essais pourcaractériser le sol ;

� de conception mécanique : il doit maîtriser les outils de la mécaniquedes milieux continus afin de déterminer les sollicitations sur le sol etl’ouvrage et vérifier que le sol et l’ouvrage restent stables ;

� de technicien : il doit maîtriser les techniques de construction etd’organisation de chantier qui sont indispensables pour proposer dessolutions économiquement viables.

On mesure donc ici l’étendue très vaste de compétences qu’un géotech-nicien doit acquérir pour devenir opérationnel. C’est à la fois une diffi-culté mais qui, une fois surmontée, permet ensuite d’exercer un métierpassionnant aux multiples facettes.

Ce livre n’a pas pour ambition de couvrir tous ces champs disciplinaires.Une littérature déjà riche permet au futur géotechnicien de se former demanière efficace. Il s’inscrit dans une démarche différente. Il se focalisesur certains aspects de la mécanique des sols et des structures. En effet, àtravers leur expérience d’enseignants, les auteurs ont pris conscience dela difficulté de proposer une approche unifiée du dimensionnement desouvrages. De grands ingénieurs sont associés à certaines méthodes de cal-cul. Parfois plusieurs méthodes cohabitent pour dimensionner un ouvra-ge (e.g., mur de soutènement), sans qu’il soit toujours possible de justi-fier rigoureusement que telle méthode ou telle autre est meilleure. Ellessont alors davantage perçues comme des recettes de cuisine que commeune méthode rigoureuse.

Le législateur lui-même n’a visiblement pas souhaité prendre partie danscertains cas, laissant la possibilité de choisir telle ou telle méthode. Unedes raisons de ce constat provient sans doute du fait que ces méthodes nesont pas inscrites dans les dernières avancées scientifiques de la méca-nique, ou alors elles le sont déjà mais restent confidentielles, réservées àla communauté scientifique qui travaille sur ces sujets.©

Dun

od. T

oute

rep

rodu

ctio

n no

n au

tori

sée

est u

n dé

lit.

3

Introduction

9782100585380-bert-int.qxd 06/05/13 9:49 Page 3

Les auteurs considèrent que les conditions sont aujourd’hui réunies pourproposer un ouvrage de mécanique des sols, accessible à un niveau fin delicence, plutôt master ou ingénieur dans la pratique, qui organise certainsde ces concepts pour en faire une présentation unifiée. Les outils numé-riques dont l’usage se développent devraient à l’avenir faciliter ce travaild’appropriation et achever de convaincre les lecteurs d’utiliser des conceptset des méthodes plus modernes pour dimensionner les ouvrages.

L’ouvrage est décomposé en plusieurs grandes parties :

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains, expliquantsommairement le contexte d’une étude géotechnique et les essaisde reconnaissance in situ qui fournissent des données sur le sol.

B Caractérisation des sols et des roches, permettant de décrire un solen particulier argileux et de donner les paramètres classiquesutiles par la suite.

C Éléments de mécanique des sols, vus comme des milieux continus,avec les rappels essentiels pour la compréhension de la suite del’ouvrage et quelques informations sur la résolution d’un problè-me d’élasticité et d’élasto-plasticité.

D Comportement hydro-mécanique des sols, présentant l’hydrauliquedes matériaux et des sols, mais aussi la poroélasticité support de lanotion de contrainte effective avec les applications classiques deconsolidation.

E Caractérisation expérimentale en laboratoire du comportementhydro-mécanique des sols, présentant les essais classiques de labo-ratoire et les traits essentiels du comportement des matériaux.

F Un exemple de modèle de comportement, consacré essentiellementau modèle de Cam Clay devenu une référence pour les sols et quis’inscrit dans un cadre conceptuel bien connu.

G Théorie du calcul à la rupture, permettant de comprendre lesconcepts à travers un exemple et illustrant les différentesapproches présentées, statique par l’intérieur et cinématique parl’extérieur, par des applications.

4

Introduction

9782100585380-bert-int.qxd 15/05/13 8:04 Page 4

H Stabilité des pentes et talus, un problème classique traité usuelle-ment par des méthodes approchées mises en défaut dans de nom-breux cas concrets. Le calcul à la rupture permet alors un traite-ment unifié et rigoureux des problèmes concrets de l’ingénieur.

I Capacité portante des fondations superficielles, constituant uneautre application naturelle du calcul à la rupture avec les deuxapproches statique et/ou cinématique qui permettent d’encadrerla solution.

J Calculs de poussée et de butée, notions de base abordées ici commeconséquence immédiate d’une vision calcul à la rupture.

Le lecteur connaissant déjà la mécanique des sols et des ouvrages serapeut-être étonné de ne pas trouver le calcul des fondations profondes oud’autres aspects importants pour le dimensionnement. Le choix fait a étéde conserver ce qui permet un traitement unifié et cohérent et d’élimi-ner ce qui résulte d’une pratique codifiée. Nous renvoyons le lecteur àtous les livres ou documents techniques qui existent.

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

5

Introduction

9782100585380-bert-int.qxd 06/05/13 9:49 Page 5

9782100585380-bert-int.qxd 06/05/13 9:49 Page 6

et reconnaissancedes terrains

AConception des ouvrages

9782100585380-bert-partA.qxd 06/05/13 9:50 Page 7

La construction des éléments d’interface entre l’ouvrage et le terrain(appelé ouvrages géotechniques) doit être réalisée pour que les effortsexercés par l’ouvrage sur le terrain ne produisent de désordres au coursdu temps qui pourraient nuire au bon usage de l’ouvrage.

Deux types d’exigences doivent être respectées (voir l’Eurocode 0 « Basesde calcul des structures ») :

1. Pendant sa durée de vie escomptée avec des niveaux de fiabilitéappropriés et de façon économique, la structure doit être conçue etréalisée de telle sorte qu’elle résiste à toutes les actions et influencessusceptibles d’intervenir pendant son exécution et son utilisation etqu’elle reste adaptée à l’usage pour lequel elle a été conçue.

2. La structure doit être conçue de telle sorte qu’elle ne soit pas endom-magée de façon disproportionnée par rapport à la cause initiale pardes événements exceptionnels tels une explosion, un séisme et lesconséquences d’erreurs humaines.

La conception des éléments s’appuie sur des règles de dimensionnement,elle-même établies à l’échelle européenne par les Eurocodes. Nous pré-sentons dans cette partie quelques points à prendre en compte lors del’élaboration du rapport géotechnique, document contractuel obligatoi-re accompagnant le dimensionnement de l’ouvrage. Pour établir ce rap-port, il est nécessaire de disposer d’informations sur la nature du terrainsur lequel est fondé l’ouvrage. Nous présenterons donc également assezsuccinctement les techniques de reconnaissance du terrain qui répondentà cette attente, sachant qu’il existe aujourd’hui une littérature abondantedétaillant ces différentes techniques.

Régulation

9782100585380-bert-partA.qxd 06/05/13 9:50 Page 8

9

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

1.1 Approche de la sécuritédes constructions

Le degré de sureté de l’ouvrage géotechnique est évalué par une approcheprobabiliste ou semi probabiliste. Il s’agit de s’assurer que la probabilitéde ruine d’un ouvrage est inférieure à un seuil donné. Ce seuil dépend demultiples facteurs comme la durée de vie escomptée de l’ouvrage, lesconséquences engendrées par sa ruine, les risques d’obsolescence, et descritères économiques.

Si des outils de simulation statistique comme la méthode de Monte-Carlo sont acceptés sous certaines conditions, l’approche semi-probabi-liste est celle qui est la plus utilisée. L’utilisation de cette dernière néces-site de définir des valeurs représentatives des grandeurs aléatoires(actions et résistances), d’introduire des coefficients partiels établis entenant à la fois compte d’une approche purement probabiliste et de lapratique antérieure, et enfin de tenir compte des marges plus ou moinsapparentes introduites dans les divers modèles.

Pour illustrer les propos, considérons le cas d’un phénomène indésirabledont la condition de non occurrence fait intervenir deux grandeurs : uneffet des actions E – la contrainte appliquée par une semelle de fondationsuperficielle sur le sol – et une résistance R – la contrainte à la rupture dusol. Si ces deux grandeurs étaient parfaitement connues (i.e., détermi-nistes), alors il suffirait de s’assurer que E < R. Dans la réalité, commeelles sont aléatoires, la ruine de l’ouvrage doit être caractérisée par uneprobabilité de défaillance pf que l’on souhaite borner :

pf = P(R � E) < plim . (1.1)

1 Méthodologie pourle dimensionnementd’un ouvrage

9782100585380-bert-C01.qxd 16/05/13 7:34 Page 9

Si E et R sont des grandeurs indépendantes et caractérisées par leur den-sité continue de probabilité fE (e) et fR(r), alors la probabilité dedéfaillance s’écrit :

pf = p(g(e, r) � 0) =∫

DR

fE (e) fR(r)de dr = 1 − p(g(e, r) > 0). (1.2)

où DR est la zone de ruine et g(e, r) la fonction qui caractérise la margede sécurité (par exemple g(e, r) = r − e).

Cette approche statistique est difficile à mettre en œuvre sur le terrain.Dans la pratique, la plupart du temps, elle est remplacée par uneapproche semi-probabiliste. Cette approche consiste à vérifier un critèreapproché et conservatif en faisant intervenir d’une part des valeursappropriées de E et R appelées des grandeurs caractéristiques et notéesEk et Rk et d’autre part des coefficients partiels γF et γM affectant lesvaleurs des actions et les résistances. L’inégalité de l’équation 1.1s’exprime alors sous la forme :

γF Ek �Rk

γM. (1.3)

La première étape de la justification de l’ouvrage consiste à vérifier qu’aumoment de la construction et en service, les dégradations restent dans unseuil de tolérance acceptable pour des actions courantes correspondantaux conditions d’exploitation. Ce seuil peut évoluer au cours du tempspuisqu’un ouvrage a une durée de vie limitée. Ainsi, par exemple, s’il esten général impossible d’éviter le tassement différentiel d’un ouvrage, ilfaut s’assurer que les déformations restent limitées dans le temps pourque la probable fissuration reste acceptable pour un usage quotidien. Cetétat limite est appelé état limite de service (ELS).

Dans la seconde étape de la justification de l’ouvrage, il s’agit de s’assurerqu’aucune ruine de l’ouvrage n’apparaisse, qui mettrait en danger lesusagers, dans des situations exceptionnelles où des sollicitations plussévères se manifesteraient (choc d’un pilier de pont par une péniche, séis-me, feu dans un tunnel). On tolère alors une dégradation plus forte del’ouvrage que sous les conditions de chargement décrite dans l’ELS. Cetétat est appelé état limite ultime (ELU).

10

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 10

L’Eurocode 0 définit de manière rigoureuse ces états et impose que lesvérifications vis-à-vis des états limites de service et ultimes soient faites.Les dimensionnements des éléments en béton armé ou en constructionmétallique s’inscrivent depuis longtemps dans cette démarche. Avecl’arrivée de l’Eurocode 7, la vérification des ouvrages géotechniques s’estinscrite dans cette démarche.

Le calcul des charges nécessaire pour l’étude des différents états limitess’effectue de façon usuelle en pondérant les valeurs nominales de chargespar des coefficients partiels γF et γM. À titre d’exemple, le tableau 1.1 extra-it de l’Eurocode 7 donne quelques valeurs indicatives de ces coefficients àconsidérer en ELU pour différentes situations (A, B ou C) en fonction dutype d’actions (permanentes ou variables) et des propriétés du sol qu’ilconvient d’adopter pour les études classiques. Des valeurs plus grandesdoivent être prises en compte dans le cas de risque anormalement grand oudes conditions de terrain ou de charges inhabituelles ou exceptionnelle-ment difficiles (ex. : coefficients partiels égaux à un pour les situations acci-dentelles). Des valeurs moins sévères peuvent être utilisées pour justifier lesouvrages temporaires et les situations transitoires. Par ailleurs, les coeffi-cients de pondération valent 1 pour les états limites de service.

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

11

Dimensionnement d’un ouvrage

1

Cas Actions Propriétés du sol

Permanentes Variables

défavorables favorables défavorables tan c′ Cu σσu

Cas A 1,00 0,95 1,50 1,10 1,30 1,20 1,20

Cas B 1,35 1,00 1,50 1,00 1,00 1,00 1,00

Cas C 1,00 1,00 1,30 1,25 1,60 1,40 1,40

Tableau 1.1 Coefficients partiels, ELU dans des situations durableset transitoires.

tan : tangente de l’angle de frottement interne, c′ : cohésion effective, Cu : cohésion non

drainée, σu : résistance à la compression du sol ou de la roche.

Les actions qui s’appliquent sur le sol sont référencées dans l’Eurocode 1« Bases du calcul et actions sur les structures ». Elles sont nombreuses etvariées. Pour mémoire, voici quelques exemples d’actions à prendre encompte dans le calcul de dimensionnement des ouvrages géotechniques :

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 11

� le poids des sols ;

� les contraintes existant dans le terrain ;

� les pressions de l’eau libre ou souterraine, les forces d’écoulement del’eau ;

� les charges permanentes, d’exploitation et d’environnement ;

� les surcharges, les forces d’amarrage, les suppressions de charges oules excavations dans le terrain ;

� les mouvements dus au fluage, au glissement de masses de sol, à ladégradation, à la décomposition, à l’auto-compaction, au séisme ;

� les effets de la température…

Pour chaque situation analysée, aucun des États Limites correspondantsne doit être atteint. Cette exigence peut être satisfaite par l’utilisation decalculs, l’adoption de mesures prescriptives, la réalisation de modèlesexpérimentaux et d’essais de chargement, une méthode observationnel-le. Ces quatre approches peuvent être combinées.

1.2 Classement d’un ouvragegéotechnique

Pour des raisons évidentes de coût, la complexité de l’étude géotechniquedépend du type d’ouvrage construit et des risques encourus pour lesbiens et les vies. Les exigences minimales ne sont pas les mêmes selon quel’on construit une maison individuelle, un immeuble de taille moyenne,la tour Montparnasse ou le tunnel sous la Manche. Dans l’Eurocode 7« Calcul géotechnique » une classification des ouvrages dans trois caté-gories est proposée.

1.2.1 Catégorie géotechnique 1

Cette catégorie comprend les petits ouvrages relativement simples pourlesquels les exigences fondamentales sont satisfaites avec des risquesnégligeables pour les biens et les vies, en s’appuyant sur l’expérienceacquise et des reconnaissances géotechniques qualitatives. Les procé-

12

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 12

dures simplifiées de dimensionnement mises en œuvre ne s’appliquentque pour des conditions de terrain dont une expérience comparable amontré qu’elles sont suffisamment simples pour que des méthodes deroutine puissent être utilisées pour le calcul et l’exécution des fondations.

Les types d’ouvrages entrant dans cette catégorie sont les suivants :

� les maisons à un ou deux niveaux et les b‚timents agricoles simples,dont Pmax(poteaux) = 250 kN et pmax(murs) = 100 kN/m, construitssur des types de fondations superficielles et sur pieux ;

� les murs de soutènement et fouilles blindées ;

� les petites excavations pour les travaux de drainage, la pose de cana-lisation.

1.2.2 Catégorie géotechnique 2

Elle comprend les types d’ouvrages et de fondations ne présentant ni derisques anormaux ni des conditions de terrain et de chargement inhabi-tuelles ou exceptionnellement difficiles. La justification de ces ouvragesnécessite de recueillir des données et de réaliser des calculs géotechniquesquantitatifs permettant de s’assurer que les exigences fondamentales sontsatisfaites. Mais des procédures de routine peuvent être utilisées pour lesessais en place et en laboratoire ainsi que pour le calcul et l’exécution destravaux.

Les types d’ouvrage entrant dans cette catégorie sont :

� les fondations superficielles, sur radiers ou sur pieux ;

� les murs et autres ouvrages retenant ou soutenant le sol ou l’eau ;

� les excavations ;

� les appuis et culées de ponts ;

� les remblais et terrassements ;

� les ancrages et autres systèmes de tirants ;

� les tunnels dans les roches dures non fracturées, sans conditions spé-ciales d’étanchéité ou autres exigences.

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

13

Dimensionnement d’un ouvrage

1

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 13

1.2.3 Catégorie géotechnique 3

Cette catégorie comprend tous les autres ouvrages ou parties d’ouvragesn’entrant pas dans les catégories précédentes.

1.3 Données géotechniques

Pour réaliser le dimensionnement de l’ouvrage, le géotechnicien doit dis-poser de suffisamment d’informations sur le terrain où l’ouvrage estconstruit, de manière à proposer la solution technologique la plus adé-quate. Il est donc nécessaire de recueillir des informations sur :

� la convenance générale du terrain ;

� la disposition et la classification des différentes zones de sol ou deroche et des éléments de l’ouvrage ;

� les plans de stratification inclinés, les failles, joints et fissures, les cavi-tés de dissolution ;

� les variations des niveaux des eaux souterraines ;

� les exploitations minières, cavernes ou autres ouvrages souterrains ;

� les effets d’affouillement, d’érosion et d’excavation ;

� les effets de la corrosion chimique, d’altération, du gel ;

� les autres effets du temps sur la résistance et les autres propriétés desmatériaux ;

� les effets du nouvel ouvrage sur les ouvrages et les réseaux existants.

La reconnaissance géotechnique ne soulève pas de problème particulierpour les petits ouvrages de catégorie 1. Pour les ouvrages de catégorie 2et 3, elle comprend trois étapes décrites ci-dessous.

1.3.1 Une reconnaissance primaire

Cette reconnaissance a pour but d’évaluer la convenance générale du site,de le comparer avec d’autres sites potentiels et d’estimer les transforma-

14

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 14

tions qui peuvent être provoquées par les travaux. Elle permet égalementde planifier les reconnaissances destinées aux dimensionnements et auxcontrôles et d’identifier les zones d’emprunt.

Il est nécessaire de prendre en compte différents éléments en fonction del’importance de l’ouvrage, la reconnaissance du terrain, la topographie,l’hydrologie, l’examen des ouvrages proches et des excavations voisines,les cartes et relevés géologiques et géotechniques, les reconnaissancesantérieures, les photographies aériennes, la sismicité régionale…

1.3.2 Une reconnaissancepour le dimensionnement

Cette reconnaissance est menée pour collecter les informations néces-saires au dimensionnement de l’ouvrage dans les conditions écono-miques satisfaisantes et à la définition de la méthode de construction. Leséléments suivants doivent être pris en compte : la stratigraphie géolo-gique, les propriétés de déformabilité et de résistance des terrains, la dis-tribution des pressions interstitielles de l’eau, les conditions de perméa-bilité, les instabilités, la compactibilité, l’agressivité du terrain et de l’eau,la sensibilité au gel.

Le dimensionnement de l’ouvrage suppose donc qu’on ait une connais-sance qui soit la plus précise possible des caractéristiques du sol ou de laroche. Un certain nombre d’entre eux est recensé dans le tableau 1.2.

1.3.3 Une reconnaissance de contrôle

Cette reconnaissance est effectuée au cours de la réalisation de l’ouvrage.Elle a pour but de vérifier que les données géotechniques recueillies dansl’étape précédente et ayant servi au dimensionnement sont toujoursvalables.

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

15

Dimensionnement d’un ouvrage

1

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 15

1.4 Documents contractuels

La justification du dimensionnement d’un ouvrage géotechnique faitl’objet de deux documents contractuels dont la structure est définie parles normes en vigueur : un rapport de reconnaissance géotechnique et unrapport de dimensionnement de l’ouvrage.

Les résultats de la reconnaissance des terrains sont consignés dans unrapport qui sert de base au rapport de dimensionnement géotechnique.Le rapport comprend normalement deux parties :

� la présentation des informations géotechniques disponibles, y com-pris les caractéristiques géotechniques et les données importantespour le projet ;

� l’évaluation géotechnique de ces informations indiquant les hypo-thèses adoptées pour établir les valeurs des paramètres géotechniques.

Le rapport de dimensionnement rassemble les hypothèses de calcul, lesdonnées, les calculs et les résultats. Il convient d’y inclure les points sui-vants :

16

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

Sols Roches

courbe granulométrique minéralogie

forme des particules pétrographie

rugosité de surface teneur en eau

indice de densité poids volumique

poids volumique porosité

teneur naturelle en eau vitesse du son

limites d’Atterberg coefficient d’imbibition rapide

teneur en carbonates gonflement

teneur en matières organiques index de durabilité

résistance au cisaillement résistance à la compression simple

raideur du sol caractérisation des discontinuités

perméabilité perméabilité

consolidation

compactibilité

Tableau 1.2 Paramètres caractérisant les sols et roches.

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 16

� une description du site et de son voisinage ;

� une description des conditions de terrain ;

� les valeurs de calculs des propriétés des sols et des roches, y comprisleurs justifications ;

� la liste des codes et normes appliqués ;

� l’énoncé du niveau des risques admis ;

� les calculs géotechniques et les dessins ;

� une liste des points à vérifier pendant l’exécution des travaux ounécessitant de l’entretien ou un suivi ;

� un programme de contrôle et de surveillance, lorsque le contextel’exige.

Selon le type de projet, ce rapport peut être plus ou moins détaillé ; larédaction d’une page peut suffire pour les projets simples.

1.5 Méthodologie d’une étude de sols

Le choix de la méthode dépend dans une large mesure de la nature duproblème étudié et de la structure géologique du site comme cela estindiqué sur les figures 1.1 et 1.2.

Certains essais sont mieux adaptés que d’autres à l’étude d’un problème,compte-tenu évidemment de la nature du terrain. Souvent, sur un mêmechantier, plusieurs types d’essais complémentaires sont utilisés comme lepénétromètre statique et le pressiomètre. Le tableau 1.3 apporte des pré-cisions sur ces points.

© D

unod

. Tou

te r

epro

duct

ion

non

auto

risé

e es

t un

délit

.

17

Dimensionnement d’un ouvrage

1

Tableau 1.3 Aide au choix d’un type d’essai (MP : Méthode Proscrite ;MR : Méthode Recommandée ; MUC : Méthode Usuelle et Convenable).

Carot. Lab. Pres. Pénétro. SPT Scisso.

Argiles molles MUC MUC MR MR MP MUC

Argiles raides MR MUC MR MP MP MP

Sables MP MT MR MR MUC MP

Graviers MP MP MR MT MP MP

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 17

18

A Conception des ouvrages et reconnaissance des terrains

Étude de fondation

Problèmes d'exécution

Adaptation au site

Soutènement

Argiles raides m arnes, roches

Sables et graviers

Sables

Argiles molles

Problèmes à résoudre

Nature des sols

Type d'essai géotechnique

Figure 1.1 Méthodologie générale d’une étude.

Topographie et environnement

Cartes géologiques

Enquêtepréalable

Géologie présuméedu site

Forages

Géophysique

Reconnaissancegéologique

Figure 1.2 Méthodologie de la reconnaissance géologique.

9782100585380-bert-C01.qxd 15/05/13 11:25 Page 18